Evidence of nuclear geometry-driven anisotropic flow in OO and Ne$-$Ne collisions at $\mathbf{\sqrt{{\textit s}_{\rm\mathbf {NN}}}}$ = 5.36 TeV

Nei primissimi istanti dell'universo, subito dopo il Big Bang, la materia esisteva in uno stato diverso da qualsiasi cosa vediamo oggi. Era una zuppa ribollente e supercalda di particelle fondamentali chiamate quark e gluoni, che normalmente si legano per formare protoni e neutroni. I fisici chiamano questo stato plasma di quark e gluoni. Per capire come si comportasse questa zuppa primordiale, gli scienziati fanno scontrare nuclei atomici pesanti quasi alla velocità della luce, ricreando queste condizioni estreme per un istante fugace. Quando queste collisioni avvengono, le particelle volano via secondo schemi specifici. Se le particelle si muovono insieme in modo coordinato, scorrendo come un liquido invece di rimbalzare l'una contro l'altra come palle da biliardo, ciò suggerisce che si sia formato una minuscola goccia di questo plasma. Questo movimento coordinato è noto come "flusso" ed è una delle prove più forti del fatto che la materia creata in queste collisioni si comporti come un fluido quasi perfetto.

Per decenni, i ricercatori si sono concentrati sullo scontro dei atomi più pesanti disponibili, come il piombo o l'oro, per creare le gocce più grandi possibili di questo plasma. Tuttavia, una domanda rimaneva sospesa: era possibile che un tale fluido si formasse in collisioni molto più piccole, coinvolgendo atomi più leggeri? Se la goccia è troppo piccola, potrebbe non avere abbastanza tempo o spazio per sviluppare questo comportamento fluido. Per rispondere a questo, gli scienziati si sono rivolti a due atomi leggeri specifici: l'ossigeno e il neon. Sebbene entrambi siano piccoli, hanno forme interne differenti. Gli atomi di ossigeno sono disposti in un modello geometrico specifico e rigido, mentre gli atomi di neon hanno una forma simile a quella di un birillo da bowling. Facendo scontrare questi atomi contro se stessi, i ricercatori potevano testare se la forma specifica degli atomi di partenza lasci un'impronta digitale sul flusso finale delle particelle, dimostrando che anche in questi sistemi minuscoli, la materia si comporta collettivamente.

La collaborazione ALICE al Large Hadron Collider ha recentemente eseguito le prime misurazioni di questo fenomeno nelle collisioni di nuclei di ossigeno e neon. Hanno raccolto dati da miliardi di collisioni ossigeno-ossigeno e centinaia di milioni di collisioni neon-neon, tutte avvenute a un'energia per coppia di nucleoni nel centro di massa di 5,36 TeV. Il team si è concentrato sulla misurazione di come le particelle si diffondono in diverse direzioni dopo lo scontro. Cercavano due schemi specifici: un flusso ellittico, dove le particelle preferiscono muoversi in una forma ovale, e un flusso triangolare, dove si muovono in una forma a stella a tre punte. Questi schemi non sono casuali; sono guidati dalla forma iniziale dei nuclei che si sovrappongono al momento dell'impatto. Se gli atomi di partenza hanno la forma di un birillo da bowling, il fluido risultante dovrebbe espandersi in un modo che rifletta quella forma di birillo.

I risultati hanno mostrato un chiaro segnale di questo comportamento collettivo. Sia nelle collisioni di ossigeno che in quelle di neon, le particelle hanno esibito i previsti flussi ellittici e triangolari. Fondamentalmente, l'intensità di questo flusso cambiava a seconda di quanto fosse centrale la collisione, ovvero quanto direttamente i due nuclei si colpivano tra loro. Nelle collisioni più dirette e centrali, le collisioni neon-neon hanno prodotto un flusso ellittico più forte rispetto alle collisioni ossigeno-ossigeno. Questa differenza si allinea perfettamente con le forme note dei due atomi. Poiché il neon ha una forma allungata più pronunciata rispetto all'ossigeno più compatto, il fluido creato nelle collisioni di neon si espande più fortemente in quella direzione. Questa osservazione conferma che la geometria iniziale dei nuclei che collidono guida il flusso, anche in questi sistemi molto piccoli.

Per verificare questi risultati, i ricercatori li hanno confrontati con sofisticate simulazioni al computer che includevano modelli dettagliati della struttura interna degli atomi di ossigeno e neon. Questi modelli, derivati da avanzate teorie della fisica nucleare, prevedevano che gli atomi di ossigeno avessero una disposizione tetraedrica delle loro parti interne, mentre gli atomi di neon formassero una struttura simile a un birillo da bowling. Le simulazioni, che trattavano la collisione come un'espansione idrodinamica di un fluido, corrispondevano sorprendentemente bene ai dati sperimentali. L'accordo era così preciso da superare l'accuratezza di studi precedenti su nuclei più pesanti. Questo match suggerisce che la materia creata in queste collisioni di ioni leggeri si comporti effettivamente come un fluido governato dalle leggi dell'idrodinamica, rispondendo direttamente alle forme geometriche degli atomi che collidono.

Lo studio ha anche rivelato che il flusso triangolare, che deriva da fluttuazioni casuali nel modo in cui le particelle sono disposte all'interno dei nuclei, si comportava diversamente rispetto al flusso ellittico. Nelle collisioni centrali, il flusso triangolare era più debole nel neon rispetto all'ossigeno, un risultato che anche le simulazioni hanno catturato. Questa differenza evidenzia la struttura interna unica dell'atomo di ossigeno, che crea una distorsione triangolare maggiore nella zona di collisione iniziale. Confrontando direttamente i due sistemi, i ricercatori sono stati in grado di eliminare molti dei fattori confondenti che solitamente complicano queste misurazioni, isolando l'effetto della forma nucleare stessa.

Queste scoperte forniscono una prova convincente che il plasma di quark e gluoni può formarsi in sistemi molto più piccoli di quanto precedentemente pensato, a condizione che l'energia di collisione sia sufficientemente alta. Il fatto che i modelli di flusso siano così sensibili alle forme specifiche di ossigeno e neon suggerisce che queste collisioni offrano un nuovo, potente modo per studiare la struttura dei nuclei atomici. Invece di limitarsi a osservare come i nuclei si comportano a basse energie, gli scienziati possono ora usare le collisioni ad alta energia per "immaginarne" la disposizione delle particelle all'interno. I dati confermano che la geometria iniziale dei nuclei è il principale motore del flusso, e che la materia risultante si espande come un fluido quasi perfetto. Questo lavoro colma il divario tra lo studio degli ioni pesanti e i sistemi più piccoli, mostrando che l'emergere del comportamento fluido collettivo è una caratteristica robusta della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive la forza nucleare forte che tiene insieme la materia.